(57)【要約】【課題】  色再現性の優れたカラー画像を撮像でき、しかも、高感度のカラー固体撮像装置を提供する。【解決手段】  半導体基板の表面に複数の第１種及び第２種の画素が二次元アレイ状に配列形成され、各画素が夫々２つの異なる信号を独立に出力するカラー固体撮像装置であって、第１種の画素の分光感度（図３（ａ））と、第２種の画素の分光感度（図３（ｂ））とが、異なる分光感度である。好適には、第１種，第２種の分光感度の各々が１つの上凸となる山と１つの下凸となる谷とを有し、第１種，第２種のうちの一方の前記山と他方の前記谷とが重なる。【選択図】  図３
2007066962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に複数の第１種及び第２種の画素が二次元アレイ状に配列形成され、各画素が夫々２つの異なる信号を独立に出力するカラー固体撮像装置であって、前記第１種の前記画素の分光感度と、前記第２種の前記画素の分光感度とが、異なる分光感度であることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１種，第２種の前記分光感度の各々が１つの上凸となる山と１つの下凸となる谷とを有し、前記第１種，第２種のうちの一方の前記山と他方の前記谷とが重なることを特徴とする請求項１に記載のカラー固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素が半導体基板の深さ方向に２つの光電変換部を備え、前記第１種の前記画素の上に前記第１種の前記分光感度を実現する第１色カラーフィルタが積層され、前記第２種の前記画素の上に前記第２種の前記分光感度を実現する第２色カラーフィルタが積層されることを特徴とする請求項２に記載のカラー固体撮像装置。
【請求項４】
第１色カラーフィルタが積層された複数の第１種の画素と第２色カラーフィルタが積層された複数の第２種の画素とが半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列形成され、前記各画素が前記半導体基板の深さ方向に２つの光電変換部を備えるカラー固体撮像装置であって、撮像波長域を波長の短い方から４つの領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に４分割し前記第１色カラーフィルタが前記領域Ｃ１，Ｃ３の波長域の光を透過し前記第２色カラーフィルタが前記領域Ｃ２，Ｃ４の波長域の光を透過する構成としたことを特徴とするカラー画像撮像装置。
【請求項５】
前記領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の主たる透過波長域が、Ｃ１＜４５０ｎｍ＜Ｃ２＜５４０ｎｍ＜Ｃ３＜６２０ｎｍ＜Ｃ４であることを特徴とする請求項４に記載のカラー固体撮像装置。
【請求項６】
前記領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の主たる透過波長域が、４００ｎｍ＜Ｃ１＜４７０ｎｍ＜Ｃ２＜５６０ｎｍ＜Ｃ３＜６３０ｎｍ＜Ｃ４であることを特徴とする請求項４に記載のカラー固体撮像装置。
【請求項７】
前記半導体基板の深さ方向に設けた２つの光電変換部のうち浅い光電変換部は、主として前記領域Ｃ１または領域Ｃ２の波長域の入射光を吸収する深さに形成され、深い光電変換部は、主として前記Ｃ３または領域Ｃ４の波長域の入射光を吸収する深さに形成されることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載のカラー固体撮像装置。
【請求項８】
前記浅い光電変換部は、半導体基板の表面から、０．１μｍ以上１．２μｍ以下の深さに形成され、前記深い光電変換部は、半導体基板の表面から、２．０μｍ以上１０μｍ以下の深さに形成されることを特徴とする請求項７に記載のカラー固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１種の前記画素に設けた２つの光電変換部のうち浅い光電変換部ｎ１及び深い光電変換部ｎ３と、前記第２種の前記画素に設けた２つの光電変換部のうち浅い光電変換部ｎ２及び深い光電変換部ｎ４との夫々の深さが、半導体基板の表面から浅い順に、ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４であることを特徴とする請求項２乃至請求項８のいずれかに記載のカラー固体撮像装置。
【請求項１０】
０＜ｎ１≦０．３μｍ、０．１μｍ≦ｎ２≦１．０μｍ、１．０μｍ≦ｎ３≦５．０μｍ、２．０μｍ≦ｎ４≦１０μｍの各範囲内に光電変換部が形成されていることを特徴とする請求項９に記載のカラー固体撮像装置。
【請求項１１】
光電変換部ｎ１，ｎ２が同一深さに形成され、光電変換部ｎ３，ｎ４が同一深さに形成されることを特徴とする請求項９に記載のカラー固体撮像装置。
【請求項１２】
前記画素から撮像画像信号を読み出す信号読出回路がＭＯＳトランジスタで構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のカラー固体撮像装置。
【請求項１３】
前記画素から撮像画像信号を読み出す信号読出手段が垂直電荷転送部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のカラー画像撮像装置。
【請求項１４】
前記画素が半導体基板表面部にハニカム状に配列形成されることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載のカラー固体撮像装置。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載のカラー固体撮像装置を搭載したデジタルカメラであって、カメラレンズと前記カラー固体撮像装置との間に設ける赤外線カットフィルタの長波長側のカットオフ波長が、６５５ｎｍ以上７００ｎｍ以下であることを特徴とするデジタルカメラ。
【請求項１６】
請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載のカラー固体撮像装置を搭載したデジタルカメラであって、カメラレンズと前記カラー固体撮像装置との間に設ける赤外線カットフィルタの短波長側のカットオフ波長が、４００ｎｍ以上４３０ｎｍ以下であることを特徴とするデジタルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサ等のカラー固体撮像装置及びデジタルカメラに係り、特に、高感度化，高画質化を図るのに好適なカラー固体撮像装置及びデジタルカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型等のカラー固体撮像装置は、半導体基板表面に二次元アレー状に配列形成された各受光部上に、分光特性の異なるカラーフィルタを、例えばストライプ状あるいはモザイク状に積層している。
【０００３】
この場合、例えば青色（Ｂ）のカラーフィルタを積層した受光部には、主としてＢの波長域（約４８０ｎｍよりも短波長の入射光成分）の光のみが到達し、それ以外の波長成分（例えば緑（Ｇ）および赤（Ｒ））については、Ｂのカラーフィルタに吸収されてしまい、受光部に到達しない。つまり、入射光のうち、Ｂの波長成分は光電変換されて画像データの生成に利用されるが、Ｂ以外の波長成分（ＧとＲ）については、画像データの生成に利用されることはない。
【０００４】
上記は、Ｒ，Ｇ，Ｂを基本のカラーフィルタとする原色カラーフィルタの例であり、原色カラーフィルタを持つカラー固体撮像装置では、入射光の略１／３しか利用できないという問題がある。
【０００５】
カラーフィルタには、原色カラーフィルタの他に、補色カラーフィルタと呼ばれるものが使用される。補色カラーフィルタは、各原色成分と補色の関係にある波長域の光を透過する分光フィルタである。例えば、Ｂの補色の関係にある色成分（ＧとＲ）を透過する補色フィルタは、イエローフィルタ（Ｙｅ）と呼ばれている。同様に、Ｇの補色の関係にある色成分（ＢとＲ）を透過する補色フィルタはマゼンタフィルタ（Ｍｇ）であり、Ｒの補色の関係にある色成分（ＢとＧ）を透過する補色フィルタはシアンフィルタ（Ｃｙ）である。
【０００６】
補色フィルタを用いると、例えば、イエローフィルタが積層された受光部には、入射光のうちＧとＲが到達しＢが阻止されるため、入射光の略２／３が利用される。つまり、入射光の波長を広い範囲で利用でき、原色カラーフィルタを用いた場合に比べ、感度が高くなるという利点がある。このため、フラッシュなどの補助光源を利用しにくいビデオムービーカメラ（動画の撮像）において多く採用されている。
【０００７】
しかし、補色カラーフィルタを用いた場合、一の受光部から得られる信号はＧ＋Ｒ，Ｇ＋Ｂ，Ｒ＋Ｂに対応する信号となるため、これらの信号Ｇ＋Ｒ，Ｇ＋Ｂ，Ｒ＋Ｂを固体撮像素子から読み出した後に、外部回路において色信号分離演算を行い、Ｒ信号成分，Ｇ信号成分，Ｂ信号成分に分ける必要がある。この結果、直接、各色成分（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を固体撮像素子から読み出すことができる原色カラーフィルタを搭載した固体撮像素子に比べ、色再現性が劣るという問題がある。従って、画質を重視するスチルカメラ（静止画の撮像）においては、原色カラーフィルタを搭載した固体撮像素子が多く採用される。
【０００８】
近年、固体撮像素子の高解像度化すなわち多画素化が進展し、一画素に占める受光部面積が小さくなってきているため、これまでと同じ感度を維持するのがますます困難になりつつある。その一方で、従来のデジタルカメラの写真感度（ＩＳＯ）がＩＳＯ１００〜４００程度であったものを、さらに高感度化（ＩＳＯ８００以上）したいとする要請が強まっている。
【０００９】
その理由は、フラッシュ（補助光源）発光なしに夜景を撮影したり、メ力的な手振れ防止では効果が無かった所謂「動く被写体に起因する画像ぶれ」を、感度が高くなった分だけ高速シャッタを切って防止する効果も期待できるからである。
【００１０】
この高感度化を図るには、光利用効率の低い原色カラーフィルタ積層型の固体撮像装置では無理である。しかし、補色カラーフィルタを積層した固体撮像装置では、上述した色信号分離演算に起因する色再現性低下という問題を解決しなければならない。
【００１１】
色信号の分離を、演算処理ではなく、素子構造で行う従来技術がある。例えば、半導体基板の深さ方向に複数のフォトダイオード（光電変換素子）を設け、各フォトダイオードから色分離した信号を取り出すのである。この従来技術は、半導体基板の深さ方向の光吸収率が波長依存性（非特許文献１）を持っていることを利用している。
【００１２】
図１５は、光電変換された電荷の検出及び蓄積を行う受光部を構成するフォトダイオード（ＰＤ）の深さ（厚さ）を変えたときの、フォトダイオード内部における光吸収率の波長依存性を示すシミュレーション結果を示すグラフである。シリコン（Ｓｉ）基板を用いたフォトダイオード構造では、Ｓｉの光学吸収係数に波長依存性があるため、長波長域ほど光吸収係数が小さく、結果的に、フォトダイオード内部における吸収効率が低下する傾向がある。従って、フォトダイオード深さ（厚さ）を深く（厚く）するほど、長波長光領域における吸収効率を高くすることができる。
【００１３】
図１６は、Ｎ型Ｓｉ基板を用いたフォトダイオード（図示の例はＮ＋ＰＮ構造のフォトダイオード）の上記特性を利用した異なるフォトダイオード深さから成る３種類のフォトダイオードの相対感度を示すグラフである。このグラフから分かるように、フォトダイオードの深さが浅い方（Ｘｊ＝０．３μｍ）が、短波長光感度が高く、長波長光感度が低い。逆にフォトダイオード深さが深い方（図ではＸｊ＝５μｍ）が、短波長感度が低く、長波長光感度が高い。
【００１４】
しかし、この図１６の特性を、図１７に示す原色カラーフィルタの分光特性と比べると、図１６の特性は、半値幅が広く、互いにオーバーラップする部分が大きい。例えば、青色波長光を検出するＸｊ＝０．３μｍのフォトダイオードと、緑色波長光を検出するＸｊ＝１．６μｍのフォトダイオードは、互いのオーバーラップが大きく、青色と緑色の色分離が十分でない。しかし、青波長光を検出するＸｊ＝０．３μｍのフォトダイオードと、赤色波長光を検出するＸｊ＝５μｍのフォトダイオードの分光スペクトルのオーバーラップ部分は相対的に小さい。
【００１５】
このため、斯かる３種類の信号出力の分光特性から、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の信号を半導体基板の深さ方向に設けた３つのフォトダイオードで検出し、色信号処理回路により自然画を再現しても、分光スペクトルのオーバーラップにより、色Ｓ／Ｎ等の画質が低下することが懸念される（特許文献１，２）。
【００１６】
【特許文献１】特開昭５８―１０３１６５号公報
【特許文献２】特開平１―１３４９６６号公報
【非特許文献１】IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-15,NO.1,JANUARY 1968 の“A Planar Silicon Photosensor with an Optimal Spectral Response for Detecting Printed Material”PAUL A.GARY and JOHN G.LINVILL
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述した様に、高解像度のカラー画像を撮像することができる固体撮像装置において、色再現性が優れたカラー画像を撮像でき、しかも、高感度化を図ることが望まれているが、その実現が困難である。
【００１８】
本発明の目的は、色再現性の優れたカラー画像を撮像でき、しかも、高感度のカラー固体撮像装置及びデジタルカメラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明のカラー固体撮像装置は、半導体基板の表面に複数の第１種及び第２種の画素が二次元アレイ状に配列形成され、各画素が夫々２つの異なる信号を独立に出力するカラー固体撮像装置であって、前記第１種の前記画素の分光感度と、前記第２種の前記画素の分光感度とが、異なる分光感度であることを特徴とする。
【００２０】
本発明のカラー固体撮像装置は、前記第１種，第２種の前記分光感度の各々が１つの上凸となる山と１つの下凸となる谷とを有し、前記第１種，第２種のうちの一方の前記山と他方の前記谷とが重なることを特徴とする。
【００２１】
本発明のカラー固体撮像装置は、前記画素が半導体基板の深さ方向に２つの光電変換部を備え、前記第１種の前記画素の上に前記第１種の前記分光感度を実現する第１色カラーフィルタが積層され、前記第２種の前記画素の上に前記第２種の前記分光感度を実現する第２色カラーフィルタが積層されることを特徴とする。
【００２２】
本発明のカラー固体撮像装置は、第１色カラーフィルタが積層された複数の第１種の画素と第２色カラーフィルタが積層された複数の第２種の画素とが半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列形成され、前記各画素が前記半導体基板の深さ方向に２つの光電変換部を備えるカラー固体撮像装置であって、撮像波長域を波長の短い方から４つの領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に４分割し前記第１色カラーフィルタが前記領域Ｃ１，Ｃ３の波長域の光を透過し前記第２色カラーフィルタが前記領域Ｃ２，Ｃ４の波長域の光を透過する構成としたことを特徴とする。
【００２３】
本発明のカラー画像撮像装置は、前記領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の主たる透過波長域が、Ｃ１＜４５０ｎｍ＜Ｃ２＜５４０ｎｍ＜Ｃ３＜６２０ｎｍ＜Ｃ４であることを特徴とする。
【００２４】
本発明のカラー固体撮像装置は、前記領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の主たる透過波長域が、４００ｎｍ＜Ｃ１＜４７０ｎｍ＜Ｃ２＜５６０ｎｍ＜Ｃ３＜６３０ｎｍ＜Ｃ４であることを特徴とする。
【００２５】
本発明のカラー固体撮像装置は、前記半導体基板の深さ方向に設けた２つの光電変換部のうち浅い光電変換部は、主として前記領域Ｃ１または領域Ｃ２の波長域の入射光を吸収する深さに形成され、深い光電変換部は、主として前記Ｃ３または領域Ｃ４の波長域の入射光を吸収する深さに形成されることを特徴とする。
【００２６】
本発明のカラー固体撮像装置の前記浅い光電変換部は、半導体基板の表面から、０．１μｍ以上１．２μｍ以下の深さに形成され、前記深い光電変換部は、半導体基板の表面から、２．０μｍ以上１０μｍ以下の深さに形成されることを特徴とする。
【００２７】
本発明のカラー固体撮像装置は、前記第１種の前記画素に設けた２つの光電変換部のうち浅い光電変換部ｎ１及び深い光電変換部ｎ３と、前記第２種の前記画素に設けた２つの光電変換部のうち浅い光電変換部ｎ２及び深い光電変換部ｎ４との夫々の深さが、半導体基板の表面から浅い順に、ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４であることを特徴とする。
【００２８】
本発明のカラー固体撮像装置は、０＜ｎ１≦０．３μｍ、０．１μｍ≦ｎ２≦１．０μｍ、１．０μｍ≦ｎ３≦５．０μｍ、２．０μｍ≦ｎ４≦１０μｍの各範囲内に光電変換部が形成されていることを特徴とする。
【００２９】
本発明のカラー固体撮像装置は、光電変換部ｎ１，ｎ２が同一深さに形成され、光電変換部ｎ３，ｎ４が同一深さに形成されることを特徴とする。
【００３０】
本発明のカラー固体撮像装置は、前記画素から撮像画像信号を読み出す信号読出回路がＭＯＳトランジスタで構成されることを特徴とする。
【００３１】
本発明のカラー固体撮像装置は、前記画素から撮像画像信号を読み出す信号読出手段が垂直電荷転送部を備えることを特徴とする。
【００３２】
本発明のカラー画像撮像装置は、前記画素が半導体基板表面部にハニカム状に配列形成されることを特徴とする。
【００３３】
本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載のカラー固体撮像装置を搭載したデジタルカメラであって、カメラレンズと前記カラー固体撮像装置との間に設ける赤外線カットフィルタの長波長側のカットオフ波長が、６５５ｎｍ以上７００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００３４】
本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載のカラー固体撮像装置を搭載したデジタルカメラであって、カメラレンズと前記カラー固体撮像装置との間に設ける赤外線カットフィルタの短波長側のカットオフ波長が、４００ｎｍ以上４３０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、色再現性の優れたカラー画像を撮像でき、しかも、高感度のカラー固体撮像装置及びデジタルカメラを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係るカラー固体撮像装置の表面模式図である。図１に示すカラー固体撮像装置１０は、半導体基板１１の表面部分に、図示の例では、矩形で示す多数の受光部１２（１つ１つの受光部を、以下「画素」ともいう。）が形成されている。
【００３８】
各受光部１２は、半導体基板１１の表面に正方格子状となるように配置され、受光部１２の各列の右隣には垂直電荷転送レジスタ（ＶＣＣＤ）で成る垂直転送路１３が形成され、半導体基板１１の下辺部分には、各受光部１２から読み出され垂直転送部１３を通して転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送レジスタ（ＨＣＣＤ）でなる水平転送路（ＨＣＣＤ）１４が形成されている。
【００３９】
本実施形態に係るカラー固体撮像装置１０では、正方格子配列された多数の受光部１２のうち、市松配列された第１群の受光部１２の上に第１色カラーフィルタＣＦ１を積層し、残りの市松配列された第２群の受光部１２の上に第２色カラーフィルタＣＦ２を積層している。尚、本実施形態では、第１色カラーフィルタＣＦ１と第２色カラーフィルタＣＦ２を夫々市松状すなわちモザイク状に配列したが、ストライプ状に配列することでも良い。
【００４０】
図２，図３は、第１色カラーフィルタＣＦ１と第２色カラーフィルタＣＦ２の説明図である。通常、デジタルカメラでは、赤外線カット（ＩＲ）フィルタを装着しており、３８０ｎｍから６５０ｎｍの波長域にある光が透過し、カラー固体撮像装置１０に入射する。
【００４１】
そこで、本実施例形態では、先ず図２に示す様に、入射光の波長範囲３８０〜６５０ｎｍを短波長側から長波長側に４つの領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に分割する。夫々の波長範囲は、例えば、３８０ｎｍ＜Ｃ１＜４５０ｎｍ＜Ｃ２＜５４０ｎｍ＜Ｃ３＜６２０ｎｍ＜Ｃ４とする。
【００４２】
そして、第１色カラーフィルタＣＦ１を、図３（ａ）に示す様に、領域Ｃ１の波長と、領域Ｃ１から離間した領域Ｃ３の波長とが透過する様に、染料や顔料を混合してを製造する。
【００４３】
同様に、第２色カラーフィルタＣＦ２を、図３（ｂ）に示す様に、領域Ｃ２の波長と、領域Ｃ２から離間した領域Ｃ４の波長とが透過する様に、染料や顔料を混合して製造する。
【００４４】
第１色カラーフィルタＣＦ１と第２色カラーフィルタＣＦ２とは、互いに分光スペクトルのオーバーラップが最少となるように、即ち、一方の分光スペクトルのピークが他方の分光スペクトルの谷に一致するようにする。
【００４５】
この様に、本実施形態では、撮像波長域を略４分割し、カラーフィルタとしては２色（２種類）だけ使用する構成としている。尚、領域Ｃ１の分光スペクトルの短波長側（４００ｎｍ以下）は必ずしも減衰させる必要はなく、同様に、領域Ｃ４の分光スペクトルの長波長側（６５０ｎｍ以上）も必ずしも減衰させる必要はない。カラーフィルタＣＦ１，ＣＦ２に共通の特徴は、少なくとも１つの山（上に凸）と少なくとも一の谷（下に凸）の形状を有する分光スペクトル形状ということになる。
【００４６】
図４は、図３に代わる第１色，第２色カラーフィルタＣＦ１，ＣＦ２の分光スペクトルを示すグラフである。上述した様に、通常のデジタルカメラに搭載される赤外線カット（ＩＲ）フィルタは、３８０ｎｍから６５０ｎｍの波長域にある光を透過させ、それ以外の波長の光（例えば６５０ｎｍ以上の長波長光）を遮断している。このため、６５０ｎｍ以上の長波長光については光電変換に寄与せず、従って感度アップには貢献していない。
【００４７】
しかし、高感度化のためには、６５０ｎｍ以上の長波長光も検出することが有効である。そこで、図４に示す実施形態では、赤外線カットフィルタを通りカラー固体撮像装置に入射する光の波長範囲を４００〜７００ｎｍとし、この波長範囲を、領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に４分割している。
【００４８】
それぞれの波長範囲は、例えば、４００ｎｍ＜Ｃ１＜４７０ｎｍ＜Ｃ２＜５６０ｎｍ＜Ｃ３＜６３０ｎｍ＜Ｃ４としている。そして、第１色カラーフィルタＣＦ１は、領域Ｃ１，Ｃ３の波長範囲の光を透過し、第２色カラーフィルタＣＦ２は、領域Ｃ２，Ｃ４の波長範囲の光を透過する構成としている。
【００４９】
本実施形態では、赤外線カットフィルタにより、４００ｎｍ以下の短波長光の入射を予め阻止する構成にしている。短波長側の紫外線の入射を阻止することで、染料カラーフィルタの退色が防止できるという効果が期待できる。また、本実施形態では、領域Ｃ１における第１色カラーフィルタＣＦ１の分光スペクトルを、４２０ｎｍ以下で急激に減衰させている。これにより、矩波長光で顕著になるカメラレンズの色収差の影響が受け難くなるという効果も期待できる。
【００５０】
図５は、図１に示す受光部１２の４個分を拡大した図であり、転送電極を示す図である。本実施形態の転送電極１７，１８，１９は３層ポリシリコン構造となっており、全画素読み出し可能なインターラインＣＣＤを構成する。図示する例では、第３ポリシリコン電極１９や第２ポリシリコン電極１８が夫々フォトダイオードから信号電荷を読み出す読出ゲート電極を兼用している。
【００５１】
図６は、図５に示す第１色カラーフィルタＣＦ１が積層された受光部１２のVI―VI線断面模式図である。ｎ型半導体基板１１には、表面側にＰウェル層２２が形成され、Ｐウェル層２２内の浅部にＮ＋層（ｎ１層）２３が、深部にＮ＋層（ｎ３層）２４が深さ方向に分離して形成される。Ｎ＋層２３は読出ゲート電極（転送電極）１９下まで延在される。
【００５２】
深部に形成されたＮ＋層（ｎ３層）２４は、端部において半導体基板１１の表面まで立ち上がるＮ＋領域（電荷通路）２４ａを有し、このＮ＋領域２４ａが、転送電極の一部からなる読出ゲート電極１８下まで延在される。
【００５３】
深さの異なる２種類の蓄積部２３，２４が設けられた半導体基板１１の表面の一部には、浅いＰ＋層２５が設けられており、更に最表面にはＳｉＯ２膜２６が設けられている。Ｐ＋層２５は、受光部表面における酸化膜―半導体界面の欠陥準位の低減に寄与している。
【００５４】
ＳｉＯ２膜２６の上部表面には、受光領域を避けた位置に前述の転送電極１７，１８，１９が形成され、更にその上部に、受光領域に開口部２７ａを持つ遮光膜２７が設けられ、更にその上部に平坦化膜２８が形成され、更にその上部に、第１色カラーフィルタＣＦ１層２９が積層され、その上に、平坦化膜を介してトップレンズ（マイクロレンズ）３０が形成される。
【００５５】
図７は、図５に示す第２色カラーフィルタＣＦ２が積層された受光部１２のVII―VII線断面模式図である。図６に示す構造と同一構造でなるが、Ｎ＋層（ｎ２層）２３の深さと、Ｎ＋層（ｎ４層）２４の深さが、図６と異なるだけである。
【００５６】
ｎ１層，ｎ２層，ｎ３層，ｎ４層の深さの関係は、半導体基板の表面から浅い順に、ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４である。
【００５７】
例えば、
０．１μｍ＜ｎ１≦０．３μｍ
０．１μｍ≦ｎ２≦１．０μｍ
１．０μｍ≦ｎ３≦５．０μｍ
２．０μｍ≦ｎ４≦１０．０μｍ
とするのが好ましいが、これに限るものではない。
【００５８】
図８は、本実施形態に係るカラー固体撮像装置の動作説明図である。赤外線カットフィルタによって不要光がカットされた光がカラー固体撮像装置１０に入射すると、第１色カラーフィルタＣＦ１が積層された図６に示す画素では、図８（ａ）に示す様に、図３（図４）に示す領域Ｃ１を透過する波長３８０〜４５０ｎｍ（図４では波長４００〜４７０ｎｍ）の短波長光と、領域Ｃ３を透過する波長５４０〜６２０ｎｍ（図４では波長５６０〜６３０ｎｍ）の長波長光とが受光領域に達する。
【００５９】
短波長光は半導体基板表面で吸収されて光電荷を発生させ、発生した信号電荷は、表面のｎ１層に蓄積される。長波長光は半導体基板深部に達して光電荷を発生させ、発生した信号電荷は、深部のｎ３層に蓄積される。本実施形態では、カラーフィルタＣＦ１を透過する短波長光と長波長光とは、領域Ｃ２（波長４５０〜５４０ｎｍ、図４では波長４７０〜５７０ｎｍ）で分離されているため、オーバーラップが少なく、ｎ１層，ｎ３層に蓄積される信号電荷の色分離性能は高くなる。
【００６０】
第２色カラーフィルタＣＦ２が積層された図７に示す画素でも同様であり、図８（ｂ）に示す様に、図３（図４）に示す領域Ｃ２を透過する波長４５０〜５４０ｎｍ（図４では波長４７０〜５６０ｎｍ）の短波長光と、領域Ｃ４を透過する波長６２０〜６５０ｎｍ（図４では波長６３０〜７００ｎｍ）の長波長光とが受光領域に達する。
【００６１】
短波長光は半導体基板表面で吸収されて光電荷を発生させ、発生した信号電荷は、表面のｎ２層に蓄積される。長波長光は半導体基板深部に達して光電荷を発生させ、発生した信号電荷は、深部のｎ４層に蓄積される。本実施形態では、カラーフィルタＣＦ２を透過する短波長光と長波長光とは、領域Ｃ３（波長５４０〜６２０ｎｍ、図４では波長５６０〜６３０ｎｍ）で分離されているため、オーバーラップが少なく、ｎ２層，ｎ４層に蓄積される信号電荷の色分離性能は高くなる。
【００６２】
尚、本実施形態では、第１色カラーフィルタＣＦ１を積層した受光部におけるｎ１層，ｎ３層の深さと、第２色カラーフィルタＣＦ２を積層した受光部におけるｎ２層，ｎ４層の深さとを異なる深さとしたが、カラーフィルタＣＦ１，ＣＦ２を透過する短波長光と長波長光とが十分に分離された光となるように領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を設定してあるため、半導体基板に設けるフォトダイオードの深さを変えなくても、色分離性能は高い。
【００６３】
このため、ｎ１層とｎ２層の深さを同じにし、ｎ３層とｎ４層の深さを同じにし、製造工程数を減らすこともできる。この場合、例えば、
０．１μｍ＜ｎ１＝ｎ２＜１．２μｍ
２．０μｍ＜ｎ３＝ｎ４＜１０μｍ
とするのが良いが、これに限るものではない。
【００６４】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係るカラー固体撮像装置の表面模式図である。第１の実施形態がＣＣＤ型カラー固体撮像装置であったのに対し、本実施形態は、ＣＭＯＳ型等のＭＯＳ型カラー固体撮像装置である。
【００６５】
本実施形態のカラー固体撮像装置４０は、ｎ型半導体基板４１の表面部に形成され、受光領域の脇に形成された垂直走査回路４２と、半導体基板４１の底辺側に形成された水平走査回路等（信号増幅回路，Ａ／Ｄ変換回路，同期信号発生回路等）４３とを備える。
【００６６】
半導体基板４１の表面の受光領域には、多数の受光部４４が二次元アレイ状に、この例では正方格子状に配列形成されている。各受光部４４には、図３，図４で説明した第１色カラーフィルタＣＦ１，第２色カラーフィルタＣＦ２が、夫々モザイク状に配列されている。尚、カラーフィルタＣＦ１，ＣＦ２をストライプ状に配列することも可能である。
【００６７】
図１０は、図９のＸ―Ｘ線断面模式図であり、第２色カラーフィルタＣＦ２を搭載した画素の断面を示している。第１色カラーフィルタＣＦ１を搭載した画素の断面構造も同様であり、図１０のＣＦ２の代わりにＣＦ１を積層した部分のみ異なる。ｎ型半導体基板４１の表面側にはＰウェル層４５が形成され、Ｐウェル層４５内の表面浅部にＮ＋層（ｎ１＝ｎ２）４６が形成され、Ｐウェル層９５内の深部にＮ＋層（ｎ３＝ｎ４）４７がＮ＋層４６と分離して形成されている。Ｎ＋層４７は、端部において表面まで立ち上がる電荷通路４７ａが設けられている。尚、図６，図７と同様に、ＣＦ１を搭載した画素の光電変換部ｎ１，ｎ３の深さと、ＣＦ２を搭載した画素の光電変換部ｎ２，ｎ４の深さを、ｎ１≠ｎ２，ｎ３≠ｎ４としても良い。
【００６８】
Ｎ＋層４６はオーミックコンタクト５１により短波長信号検出用アンプ５２に接続され、Ｎ＋層４７の電荷通路４７ａがオーミックコンタクト５３により長波長信号検出用アンプ５４に接続される。
【００６９】
各アンプ５２，５４は、ＣＭＯＳ型イメージセンサの信号読出回路として公知の３トランジスタあるいは４トランジスタで構成される。即ち、ＭＯＳトランジスタで構成される出力トランジスタ，リセットトランジスタ，行選択トランジスタ（３トランジスタ構成）、あるいは、これらに加え行読出トランジスタを有する。
【００７０】
半導体基板表面には、平坦化膜や配線層が設けられ（図示せず）、その上に図３，図４で説明したカラーフィルタＣＦ１，ＣＦ２が積層され、その上に、マイクロレンズ（図示せず）が設けられる。
【００７１】
斯かる構成により、カラー画像の撮像前にアンプ５２を構成するリセットトランジスタがＯＮされて各Ｎ＋層４６，４７の夫々のＰＮ接合部に所定量の電荷が蓄積される。そして、Ｎ＋層４６のＰＮ接合部における蓄積電荷は、カラーフィルタＣＦ１（またはＣＦ２）を透過した光のうち短波長光の入射光量に応じて発生した光電荷分だけ放電し、Ｎ＋層４７のＰＮ接合部における蓄積電荷は、カラーフィルタＣＦ１（またはＣＦ２）を透過した光のうち長波長光の入射光量に応じて発生した光電荷分だけ放電する。
【００７２】
各Ｎ＋層４６，４７の各ＰＮ接合部における電荷変化量は、図９の垂直走査回路４２，水平走査回路４３からの制御指示に従って、各受光部毎に設けられたアンプ５２，５４により独立に読み出される。
【００７３】
（第３の実施形態）
図１１は、ハニカム画素配置のＣＣＤ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。半導体基板表面に二次元アレイ状に配列形成された多数の画素６１は、各行毎に１／２ピッチずれており、水平方向に隣接する画素６１間に、垂直転送路６２が蛇行して配置される。
【００７４】
本実施形態のカラー固体撮像装置６０に設けられている各画素６１の断面構造は、図６，図７に示した構造と同様（ｎ１＝ｎ２，ｎ３＝ｎ４でも良い。）であり、カラーフィルタＣＦ１が積層された画素６１からは、図３または図４に示す領域Ｃ１と領域Ｃ３の受光量に応じた信号電荷を別々に垂直転送路６２に出力し、カラーフィルタＣＦ２が積層された画素６１からは、領域Ｃ２と領域Ｃ４の受光量に応じた信号電荷を別々に垂直転送路６２に出力する。
【００７５】
図１２は、カラー固体撮像装置６０の４画素分の拡大図である。また、図１３は、図１２中の丸印XIII内の転送電極を示す詳細図である。本実施形態のカラー固体撮像装置６０では、菱形に形成された素子分離帯６３により各画素６１が画成され、素子分離帯６３に設けられたゲート部６４から、画素間に設けられた垂直転送路６２に信号電荷が読み出される。
【００７６】
垂直転送路６２上には、２層ポリシリコン構造でなる転送電極が重ねて設けられ、１つの画素に対して４本の転送電極８１，８２，８３，８４が対応付けられている。
【００７７】
斯かるカラー固体撮像装置６０から信号電荷を読み出す場合、第１フレームで、カラーフィルタＣＦ１が積層された画素６１から領域Ｃ３の信号電荷を垂直転送路６２に読み出すと同時にカラーフィルタＣＦ２が積層された画素６１から領域Ｃ４の信号電荷を垂直転送路６２に読み出し、次の第２フレームで、カラーフィルタＣＦ１が積層された画素６１から領域Ｃ１の信号電荷を垂直転送路６２に読み出すと同時にカラーフィルタＣＦ２が積層された画素６１から領域Ｃ２の信号電荷を垂直転送路６２に読み出す。
【００７８】
そして、垂直転送路６２上の信号電荷（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４）を水平転送路まで転送し、次に水平転送路上を転送して出力する。即ち、ハニカム画素配置のＣＣＤ型カラー固体撮像装置６０では、２層ポリシリコン構造の転送電極で、全画素読み出し（プログレッシブ動作）可能となっている。
【００７９】
（第４の実施形態）
図１４は、上述したいずれかの実施形態に係るカラー固体撮像装置を搭載したデジタルカメラのブロック構成図である。このデジタルカメラは、被写体からの入射光を集光するレンズや絞りを搭載した光学系１０１と、上述したいずれかの実施形態に係るカラー固体撮像装置１０２と、光学系１０１とカラー固体撮像装置１０２との間に配置された赤外線カットフィルタ１０３とを備える。
【００８０】
本実施形態のデジタルカメラはまた、カラー固体撮像装置１０２から出力されるＣ１信号（領域Ｃ１の受光量に応じた信号、以下、同様），Ｃ２信号，Ｃ３信号，Ｃ４信号を取り込み相関二重サンプリング処理等を行うＣＤＳ回路１０４と、ＣＤＳ回路１０４の出力信号を取り込んで利得制御処理等を行うプリプロセス回路１０５と、プリプロセス回路１０５から出力されるＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路１０６と、Ａ／Ｄ変換回路１０６から出力されるＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の画像信号を取り込んでＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）信号を再生しホワイトバランス補正やガンマ補正処理等の信号処理を行ったり撮像画像の信号圧縮や伸張処理を行う回路１０７と、回路１０７に接続された画像メモリ１０８と、回路１０７が処理した撮像画像データを図示しない外部メモリに記録したりカメラ背面等に設けられた液晶表示部に表示したりする記録／表示回路１０９とを備える。
【００８１】
このデジタルカメラは更に、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御回路１１０と、システム制御回路１１０からの指示信号により同期信号を発生する同期信号回路１１１と、同期信号に基づいてカラー固体撮像装置１０２内の各部に駆動制御信号を出力する駆動回路１１２とを備える。
【００８２】
本実施形態のデジタルカメラでは、システム制御回路１１０からの指示信号に基づいて光学系１０１のレンズ焦点や絞りが制御され、光学系１０１及び赤外線カットフィルタ１０３を通してカラー固体撮像装置１０２に被写体の光学像が結像する。そして、受光した光学像に応じてカラー固体撮像装置１０２からＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４信号が出力され、信号処理回路１０７はこれらのＣ１〜Ｃ４信号からＲ，Ｇ，Ｂ信号を再生し、撮像画像データを生成する。この撮像画像データは、ＪＰＥＧ形式等のデータに圧縮され、外部メモリに記録される。
【００８３】
以上述べた各実施形態によれば、撮像波長域を４つの領域（波長範囲）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に分け、第１の受光部（画素）から２色の信号成分Ｃ１，Ｃ３を独立に検出し、第２の受光部（画素）から他の２色の信号成分Ｃ２，Ｃ４を独立に検出するため、入射光を有効に電気信号に変換すること可能となる。原色カラーフィルタの光利用効率が略１／３に対し、本発明の各実施形態に係る光利用効率は２／４＝１／２となり、感度がそれだけ高くなる。
【００８４】
また、実質的に４色のカラーフィルタを搭載したのと同等であるため、高感度化、高画質化（高い色Ｓ／Ｎ比）が可能である。
【００８５】
更に、半導体基板の深さ方向の光吸収係数の波長依存性とカラーフィルタとを併用し、２つのフォトダイオードの検出波長域をカラーフィルタによって離間させオーバーラップ量を少なくしたので、色分離性能が向上し忠実な色再現が可能になる。
【００８６】
更にまた、使用するカラーフィルタは、ＣＦ１，ＣＦ２の２色で済むため、カラー固体撮像装置の製造工程が簡略化され、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明に係るカラー固体撮像装置は、高感度化，高画質化を図ることが可能となり、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のデジタルカメラに搭載するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るカラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図２】図１に示すカラーフィルタＣＦ１，ＣＦ２の説明図である。
【図３】図１に示すカラーフィルタＣＦ１，ＣＦ２の各分光スペクトルを示すグラフである。
【図４】図３とは異なる実施形態のカラーフィルタＣＦ１，ＣＦ２の分光スペクトルを示すグラフである。
【図５】図１に示す隣接４画素分の拡大模式図である。
【図６】図５のVI―VI線断面模式図である。
【図７】図５のVII―VII線断面模式図である。
【図８】図１に示すカラーフィルタＣＦ１，ＣＦ２の透過光と基板深さ方向のポテンシャルを示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るカラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図１０】図９のＸ―Ｘ線断面模式図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係るカラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図１２】図１１に示す隣接４画素分の拡大模式図である。
【図１３】図１２の円XIII内の拡大図である。
【図１４】デジタルカメラのブロック構成図である。
【図１５】フォトダイオードの光吸収率の接合深さ及び波長依存性を示すグラフである。
【図１６】フォトダイオードの分光感度特性を示すグラフである。
【図１７】原色カラーフィルタの分光特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８９】
１０，４０，６０，１０２  カラー固体撮像装置
１１，４１  半導体基板
１２，４４  受光部（画素）
１３，６２  垂直転送路
１４  水平転送路
２３，２４，４６，４７  Ｎ＋領域
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４  ４分割した可視光領域
ＣＦ１  第１色カラーフィルタ
ＣＦ２  第２色カラーフィルタ
【図１】
2007066962.tif 000003
【図２】
2007066962.tif 000004
【図３】
2007066962.tif 000005
【図４】
2007066962.tif 000006
【図５】
2007066962.tif 000007
【図６】
2007066962.tif 000008
【図７】
2007066962.tif 000009
【図８】
2007066962.tif 000010
【図９】
2007066962.tif 000011
【図１０】
2007066962.tif 000012
【図１１】
2007066962.tif 000013
【図１２】
2007066962.tif 000014
【図１３】
2007066962.tif 000015
【図１４】
2007066962.tif 000016
【図１５】
2007066962.tif 000017
【図１６】
2007066962.tif 000018
【図１７】
2007066962.tif 000019